裝配式方鋼管混凝土框架抗火性能有限元分析

2022-06-24 14:50:38曹仕君

四川建材 2022年6期

曹仕君

(蘇州科技大學江蘇省結構工程重點實驗室，江蘇蘇州 215011)

0 前言

隨著裝配式建筑不斷發展，裝配式鋼管混凝土框架得到了廣泛的應用，這極大地提高了施工效率，但由于鋼結構材料在火災下極易發生破壞，因此，各國專家學者開始廣泛關注裝配式鋼管混凝土框架結構在荷載和火災的共同作用下的抗火性能和力學性能[1-8]，火災作用實質上指的是在當建筑構件或結構受到應力和高溫共同作用，使得結構或者構件處在荷載和火災的共同作用下的復雜環境內，通常稱這種復雜環境為熱-力耦合。

本文對裝配式方鋼管混凝土框架進行火災有限元模擬，建立了裝配式方鋼管混凝土框架的計算有限元模型，并對其進行溫度場及熱力耦合場分析。

1 有限元模型建立

利用Abaqus有限元分析軟件建立在火災溫度場作用下的框架模型。其主要的步驟大致分為：創建Part、創建Materia、創建截面屬性、裝配Part、設置Step、定義Load、定義Boundary condition、Mesh、創建Job、提交作業并進行后處理。溫度場分析模型中，框架梁和兩側柱受火，初始溫度取20℃。

1.1 溫度場模型

1)分析步的建立：在“Step-1”中設置Time period為9 000 s，設置最大增量為100 000，在增量模式中，初始值為1，最小值為9×10-6，最大值為9 000。將Max.allowable temperature change per increment設置100，Max.allowable emissivity change per increment 設置0.1。

2)相互作用(interaction)：第一步：對于型鋼和鋼管混凝土設置薄膜系數(Film coefficient)為0.025。輸入室溫(Sink temperature)為20℃。第二步：輻射類型(Radiation type)選擇至環境溫度。設置輻射率(Emissivity)為0.5。第三步：對于混凝土板設置薄膜系數(Film coefficient)為0.009，輸入室溫20℃。

3)單元劃分(Mesh)：兩側柱、混凝土板與型鋼梁均8節點線性傳熱實體單元—DC3D8進行網格劃分，網格密度分別為80、50、50 mm。柱頂端板和梁柱節點處端板網格單元劃分密度以及單元類型和混凝土板相同。對于刷有防火涂料的型鋼梁及兩側柱建模時：防火涂料網格單元劃分密度為80 mm，單元類型為8節點的線性實體-C3D8R，以減小熱傳遞作用。混凝土板配筋網格單元劃分密度為25 mm，單元類型為2節點線性傳熱實體-DC1D2。整體框架網格劃分如圖1所示。

圖1 框架有限元模型網格劃分

1.2 熱力耦合模型

目前建立熱力耦合場模型主要采用兩種方法：順序耦合熱應力分析、完全耦合熱應力分析。本文選用順序耦合先進行溫度場分析，再將溫度場作為預定義場的形式導入力場模型分析，以此實現對裝配式方鋼管混凝土框架在火災下的力學性能及破壞機制。

1)分析步建立。在熱-力耦合場下對裝配式方鋼管混凝土框架進行分析時，使用幾何非線性計算，將整個分析過程分為兩個靜力分析步進行：“Step-1”給模型施加初始力場，其參數根據溫度場下的分析結果設置，“Step-2”給模型施加溫度場。

2)邊界條件定義。在熱-力耦合場下對模型進行分析中，框架底部設置為完全固結，約束水平位移和轉角(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)，同時約束了框架平面外變形(U2=UR1=UR3=0)，柱頂及梁跨中位置設置集中荷載。混凝土和鋼筋之間的內力傳遞通過兩者的內置約束(Embedded region)實現。在“Step-2”中為模型施加溫度預定義場時，在“Predefined Field-2”中將預先計算完成的模型溫度場通過導入數據庫文件的方式實現。

2 溫度場有限元模擬分析

對裝配式方鋼混凝土框架有限元模型進行溫度場分析，得出裝配式方鋼管混凝土的溫度分布規律。

1)梁受火區溫度沿梁長度方向分布均勻，在H型鋼梁和混凝土板受火區交界處存在溫度過渡區，過渡區溫度由H型鋼梁向混凝土板由高到低分布，說明溫度在由H型鋼梁向混凝土內部傳遞時存在明顯的削減。

2)方形鋼管混凝土柱截面溫度呈雙軸對稱分布規律，且由外緣向中心點溫度遞減，相較于柱邊緣，柱截面角點位置處溫度更高。圖2為構件柱截面溫度云圖。

(a)梁跨中截面溫度云圖(50 min)

(b)柱中截面溫度云圖(50 min)

3 熱力耦合場有限元模擬分析

本節選取兩端柱頂豎向位移，梁跨中及梁距左右邊跨1/4處的撓度作為研究對象，在熱力耦合場下對其進行數值模擬，由圖3可見，由于破壞均出現在裝配式方鋼管混凝土框架的H型鋼梁跨中，裝配式方鋼管混凝土框架耐火極限參照梁跨中時間-撓度曲線出現明顯陡增的時間點，由圖3(a)和(b)可見裝配式方鋼管混凝土框架模擬的耐火極限53 min。圖4為熱力耦-全場框架模型變形云圖。